如何理解C++的列表初始化語法

如何理解C++的列表初始化語法，相信很多沒有經驗的人對此束手無策，為此本文總結了問題出現的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

有朋友在使用std::array時發現一個奇怪的問題：當元素類型是復合類型時，編譯通不過。

struct S {
    int x;
    int y;
};

int main()
{
    int a1[3]{1, 2, 3};  // 簡單類型，原生數組
    std::array<int, 3> a2{1, 2, 3};  // 簡單類型，std::array
    S a3[3]{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};  // 復合類型，原生數組
    std::array<S, 3> a4{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};  // 復合類型，std::array，編譯失敗！
    return 0;
}

按說std::array和原生數組的行為幾乎是一樣的，可為什么當元素類型不同時，初始化語法還會有差別？更蹊蹺的是，如果多加一層括號，或者去掉內層的括號，都能讓代碼編譯通過：

std::array<S, 3> a1{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};  // 原生數組的初始化寫法，編譯失敗！
std::array<S, 3> a2{{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}}};  // 外層多一層括號，編譯成功
std::array<S, 3> a3{1, 2, 3, 4, 5, 6};  // 內層不加括號，編譯成功

這篇文章會介紹這個問題的原理，以及正確的解決方式。

聚合初始化

先從std::array的內部實現說起。為了讓std::array表現得像原生數組，C++中的std::array與其他STL容器有很大區別——std::array沒有定義任何構造函數，而且所有內部數據成員都是public的。這使得std::array成為一個聚合（aggregate）。

對聚合的定義，在每個C++版本中有少許的區別，這里簡單總結下C++17中定義：一個class或struct類型，當它滿足以下條件時，稱為一個聚合[1]：

1. 沒有private或protected數據成員；

2. 沒有用戶提供的構造函數（但是顯式使用=default或=delete聲明的構造函數除外）；

3. 沒有virtual、private或者protected基類；

4. 沒有虛函數

直觀的看，聚合常常對應著只包含數據的struct類型，即常說的POD類型。另外，原生數組類型也都是聚合。

聚合初始化可以用大括號列表。一般大括號內的元素與聚合的元素一一對應，并且大括號的嵌套也和聚合類型嵌套關系一致。在C語言中，我們常見到這樣的struct初始化語句。

解了上面的原理，就容易理解為什么std::array的初始化在多一層大括號時可以成功了——因為std::array內部的唯一元素是一個原生數組，所以有兩層嵌套關系。下面展示一個自定義的MyArray類型，它的數據結構和std::array幾乎一樣，初始化方法也類似：

struct S {
    int x;
    int y;
};

template<typename T, size_t N>
struct MyArray {
    T data[N];
};

int main()
{
    MyArray<int, 3> a1{{1, 2, 3}};  // 兩層大括號
    MyArray<S, 3> a2{{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}}};  // 三層大括號
    return 0;
}

在上面例子中，初始化列表的最外層大括號對應著MyArray，之后一層的大括號對應著數據成員data，再之后才是data中的元素。大括號的嵌套與類型間的嵌套完全一致。這才是std::array嚴格、完整的初始化大括號寫法。

可是，為什么當std::array元素類型是簡單類型時，省掉一層大括號也沒問題？——這就涉及聚合初始化的另一個特點：大括號省略。

大括號省略（brace elision）

C++允許在聚合的內部成員仍然是聚合時，省掉一層或多層大括號。當有大括號被省略時，編譯器會按照內層聚合所含的元素個數進行依次填充。

下面的代碼雖然不常見，但是是合法的。雖然二維數組初始化只用了一層大括號，但因為大括號省略特性，編譯器會依次用所有元素填充內層數組——上一個填滿后再填下一個。

int a[3][2]{1, 2, 3, 4, 5, 6}; // 等同于{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}}

知道了大括號省略后，就知道std::array初始化只用一層大括號的原理了：由于std::array的內部成員數組是一個聚合，當編譯器看到{1,2,3}這樣的列表時，會挨個把大括號內的元素填充給內部數組的元素。甚至，假設std::array內部有兩個數組的話，它還會在填完上一個數組后依次填下一個。

這也解釋了為什么省掉內層大括號，復雜類型也可以編譯成功：

std::array<S, 3> a3{1, 2, 3, 4, 5, 6};  // 內層不加括號，編譯成功

因為S也是個聚合類型，所以這里省略了兩層大括號。編譯期按照下面的順序依次填充元素：數組0號元素的S::x、數組0號元素的S::y、數組1號元素的S::x、數組1號元素的S::y……

雖然大括號可以省略，但是一旦用戶顯式的寫出了大括號，那么必須要和這一層的元素個數嚴格對應。因此下面的寫法會報錯：

std::array<S, 3> a1{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};  // 編譯失敗！

編譯器認為{1,2}對應std::array的內部數組，然后{3,4}對應std::array的下一個內部成員。可是std::array只有一個數據成員，于是報錯：too many initializers for 'std::array<S, 3>'

需要注意的是，大括號省略只對聚合類型有效。如果S有個自定義的構造函數，省掉大括號就行不通了：

// 聚合
struct S1 {
    S1() = default;
    int x;
    int y;
};

std::array<S1, 3> a1{1, 2, 3, 4, 5, 6};  // OK

// 聚合
struct S2 {
    S2() = delete;
    int x;
    int y;
};

std::array<S2, 3> a2{1, 2, 3, 4, 5, 6};  // OK

// 非聚合，有用戶提供的構造函數
struct S3 {
    S3() {};
    int x;
    int y;
};

std::array<S3, 3> a3{1, 2, 3, 4, 5, 6};  // 編譯失敗！

這里可以看出=default的構造函數與空構造函數的微妙區別。

std::initializer_list的另一個故事

上面講的所有規則，都只對聚合初始化有效。如果我們給MyArray類型加上一個接受std::initializer_list的構造函數，情況又不一樣了：

struct S {
    int x;
    int y;
};

template<typename T, size_t N>
struct MyArray {
public:
    MyArray(std::initializer_list<T> l)
    {
        std::copy(l.begin(), l.end(), std::begin(data));
    }
    T data[N];
};

int main()
{
    MyArray<S, 3> a{{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}}};  // OK
    MyArray<S, 3> b{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};  // 同樣OK
    return 0;
}

當使用std::initializer_list的構造函數來初始化時，無論初始化列表外層是一層還是兩層大括號，都能初始化成功，而且a和b的內容完全一樣。

這又是為什么？難道std::initializer_list也支持大括號省略？

這里要提一件趣事：《Effective Modern C++》這本書在講解對象初始化方法時，舉了這么一個例子[2]：

class Widget {
public:
  Widget();                                   // default ctor
  Widget(std::initializer_list<int> il);      // std::initializer_list ctor
  …                                          // no implicit conversion funcs
}; 

Widget w1;          // calls default ctor
Widget w2{};        // also calls default ctor
Widget w3();        // most vexing parse! declares a function!    

Widget w4({});      // calls std::initializer_list ctor with empty list
Widget w5{{}};      // ditto <-注意！

然而，書里這段代碼最后一行w5的注釋卻是個技術錯誤。這個w5的構造函數調用時并非像w4那樣傳入一個空的std::initializer_list，而是傳入包含了一個元素的std::initializer_list。

即使像Scott Meyers這樣的C++大牛，都會在大括號的語義上搞錯，可見C++的相關規則充滿著陷阱！

連《Effective Modern C++》都弄錯了的規則

幸好，《Effective Modern C++》作為一本經典圖書，讀者眾多。很快就有讀者發現了這個錯誤，之后Scott Meyers將這個錯誤的闡述放在了書籍的勘誤表中[3]。

Scott Meyers還邀請讀者們和他一起研究正確的規則到底是什么，最后，他們把結論寫在了一篇文章里[4]。文章通過3種具有不同構造函數的自定義類型，來揭示std::initializer_list匹配時的微妙差異。代碼如下：

#include <iostream>
#include <initializer_list>
 
class DefCtor {
  int x;
public:
  DefCtor(){}
};
 
class DeletedDefCtor {
  int x;
public:
  DeletedDefCtor() = delete;
};
 
class NoDefCtor {
  int x;    
public:
  NoDefCtor(int){}
};
 
template<typename T>
class X {
public:
  X() { std::cout << "Def Ctor\n"; }
 
  X(std::initializer_list<T> il)
  {
    std::cout << "il.size() = " << il.size() << '\n';
  }
};
 
int main()
{
  X<DefCtor> a0({});           // il.size = 0
  X<DefCtor> b0{{}};           // il.size = 1
 
  X<DeletedDefCtor> a2({});    // il.size = 0
  // X<DeletedDefCtor> b2{{}};    // error! attempt to use deleted constructor
 
  X<NoDefCtor> a1({});         // il.size = 0
  X<NoDefCtor> b1{{}};         // il.size = 0
}

對于構造函數已被刪除的非聚合類型，用{}初始化會觸發編譯錯誤，因此b2的表現是容易理解的。但是b0和b1的區別就很奇怪了：一模一樣的初始化方法，為什么一個傳入std::initializer_list的長度為1，另一個長度為0？

構造函數的兩步嘗試

問題的原因在于：當使用大括號初始化來調用構造函數時，編譯器會進行兩次嘗試：

1. 把整個大括號列表連同最外層大括號一起，作為構造函數的std::initializer_list參數，看看能不能匹配成功；

2. 如果第一步失敗了，則將大括號列表的成員作為構造函數的入參，看看能不能匹配成功。

對于b0{{}}這樣的表達式，可以直觀理解第一步嘗試是：b0({{}})，也就是把{{}}整體作為一個參數傳給構造函數。對b0來說，這個匹配是能夠成功的。因為DefCtor可以通過{}初始化，所以b0的初始化調用了X(std::initializer_list<T>)，并且傳入含有1個成員的std::initializer_list作為入參。

對于b1{{}}，編譯器同樣會先做第一步嘗試，但是NoDefCtor不允許用{}初始化，所以第一步嘗試會失敗。接下來編譯器做第二步嘗試，將外層大括號剝掉，調用b1({})，發現可以成功，這時傳入的是空的std::initializer_list。

再回頭看之前MyArray的例子，現在我們可以分析出兩種初始化分別是在哪一步成功的：

MyArray<S, 3> a{{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}}};  // 在第二步，剝掉外層大括號后匹配成功
MyArray<S, 3> b{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};  // 第一步整個大括號列表匹配成功

綜合小測試

到這里，大括號初始化在各種場景下的規則就都解析完了。不知道讀者是否徹底掌握了？

不妨來試一試下面的小測試：這段代碼里有一個僅含一個元素的std::array，其元素類型是std::tuple，tuple只有一個成員，是自定義類型S，S定義有默認構造函數和接受std::initializer_list<int>的構造函數。對于這個類型，初始化時允許使用幾層大括號呢？下面的初始化語句有哪些可以成功？分別是為什么？

struct S {
    S() = default;
    S(std::initializer_list<int>) {}
};

int main()
{
    using MyType = std::array<std::tuple<S>, 1>;
    MyType a{};             // 1層
    MyType b{{}};           // 2層
    MyType c{{{}}};         // 3層
    MyType d{{{{}}}};       // 4層
    MyType e{{{{{}}}}};     // 5層
    MyType f{{{{{{}}}}}};   // 6層
    MyType g{{{{{{{}}}}}}}; // 7層
    return 0;
}

看完上述內容，你們掌握如何理解C++的列表初始化語法的方法了嗎？如果還想學到更多技能或想了解更多相關內容，歡迎關注億速云行業資訊頻道，感謝各位的閱讀！